avec un deuxième guide d'ondes »

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

L'invention concerne de manière générale le couplage de guides d'ondes appliqué aux micro et nanotechnologies.

L'invention trouve pour application avantageuse mais non limitative le domaine des photodiodes avec le couplage entre un premier guide par lequel des photons pénètrent et un deuxième guide comprenant une portion d'absorption pour générer des charges électriques à partir des photons absorbés.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

Dans le domaine des micro et nanotechnologies, il est souvent nécessaire de coupler deux guides d'onde. Le couplage entre deux guides d'ondes, comprenant chacun un cœur et une gaine, doit favoriser un maximum de transmission dans le cœur du guide d'ondes traversé en deuxième lieu.

Plusieurs solutions ont été développées pour assurer le couplage entre deux guides d'ondes dans le domaine des micro et nanotechnologies, c'est-à-dire pour des guide d'ondes dont la longueur est typiquement inférieure à quelques centaines voire quelques dizaines de micromètres (μηι, 10 ^"6 mètres).

Une première solution consiste à ce que le cœur du premier guide, typiquement en silicium, se rétrécisse progressivement sur une centaine de micromètres jusqu'à parvenir à proximité du deuxième guide dont la surface d'entrée est plus importante que celle de l'extrémité rétrécie du premier guide.

Un inconvénient important de cette solution est l'encombrement imposé par la longueur de la partie rétrécie, habituellement qualifiée de « taper » en anglais. Une autre solution consiste à placer une lentille convergente en sortie du premier guide afin de faire converger l'onde dans le deuxième guide.

Une telle solution est par exemple décrite dans la publication de K. V. Acoleyen et al., parue en 201 1 dans la revue IEE sous la référence

10.1 109/GROUP4.201 1 .6053748. Dans cette solution le deuxième guide présente une extrémité se rétrécissaient linéairement en s'éloignant de l'interface, formant ainsi un taper. L'objectif de cette publication est de réaliser un adaptateur de mode qui soit de dimension plus courte que les tapers classiques.

Avec cette solution, l'extrémité se rétrécissaient linéairement et formant un taper présente une longueur comprise entre 10 et 20μη"ΐ.

Cette dimension est encore relativement grande est conduit à des couplages encombrants entre les deux guides.

Une autre solution est utilisée pour la réalisation de photodiodes à double hétérojonction. Ce type de photodiode est illustré en figure 1 à 4.

Dans une photodiode à double hétérojonction, un premier guide d'ondes 100 est formé d'un cœur 1 10 en silicium (Si) à l'intérieur duquel l'onde est destinée à se propager et d'une gaine 120 de silice (Si0 ₂ ) enrobant le cœur 1 10. Le deuxième guide d'ondes 200 est formé d'un cœur 210 en germanium intrinsèque (Ge-i) et d'une gaine 220 présentant deux zones 221 , 222 de silicium dopées respectivement n et p et situées de part et d'autre du cœur 210. C'est dans le cœur 210 du deuxième guide que s'effectuent l'absorption des photons et la génération de charges électriques. Pour améliorer l'absorptivité et donc les performances de la photodiode il est nécessaire d'avoir le meilleur couplage possible entre le premier 100 et le deuxième 200 guides. Comme pour les solutions mentionnées ci-dessus, ce couplage doit de préférence permettre une adaptation de mode, sur une distance la plus courte possible, entre le premier 100 et le deuxième 200 guides.

Aux interfaces entre le cœur 210 de Ge-i et les zones 221 , 222 de Si dopées du deuxième guide 200, les différences d'indices de réfraction sont plus importantes que dans les photodiodes classiques dans lesquelles à la fois le cœur et les zones dopées sont à base de germanium. Ce contraste augmenté d'indices de réfraction contribue à confiner 310 dans le cœur 210 du deuxième guide 200 les ondes lumineuses 300 provenant du cœur 1 10 du premier guide 100.

Cette solution améliore ainsi l'absorption de la lumière au sein du cœur 210, c'est-à-dire qu'elle améliore la responsivité des photodiodes par rapport aux photodiodes standards avec gaine en germanium.

Néanmoins, comme cela apparaît sur la figure 1 illustrant une simulation et sur la représentation schématique de la figure 4, une partie 320 des ondes lumineuses qui pénètrent dans le deuxième guide 200 se diffuse dans la gaine 220 au sein des portions 221 , 222. Ces ondes lumineuses 320 diffusées ne sont donc pas absorbées par le cœur 210 de germanium et limitent ainsi les performances de la photodiode en termes de responsivité.

Ainsi, il existe un besoin consistant à proposer une solution pour améliorer les performances d'un couplage entre deux guides d'ondes tout en présentant un encombrement réduit.

Tel est l'objectif de la présente invention.

Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RÉSUMÉ DE L'INVENTION

Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation la présente invention prévoit un dispositif de couplage d'au moins deux guides d'ondes. Le dispositif comprend un premier guide d'ondes et un deuxième guide d'ondes, chaque guide comprenant un cœur et une gaine enveloppant une partie au moins du cœur, caractérisé en ce que le cœur du deuxième guide comprend :

o une portion d'extrémité présentant au moins : ^■ une paroi d'extrémité tournée en regard de, et de préférence, en contact avec le cœur du premier guide,

^■ une partie évasée de forme convexe prolongeant la paroi d'extrémité en s'éloignant du premier guide, la partie évasée présentant une section qui augmente en s'éloignant du premier guide, la section étant prise selon un plan transverse (xy) perpendiculaire à une direction principale (z) d'extension du cœur du deuxième guide d'ondes,

^■ un rétrécissement dont la section, parallèle audit plan transverse (xy), diminue en s'éloignant du premier guide,

o une portion principale, prolongeant la portion d'extrémité en s'éloignant du premier guide et présentant une section, prise parallèlement audit plan transverse (xy), sensiblement constante.

Le dispositif de couplage selon l'invention confère des avantages significatifs notamment en termes d'augmentation du confinement des ondes lumineuses au sein du cœur du deuxième guide d'ondes tout en conservant un encombrement limité.

Dans le cas où le dispositif forme une photodiode, ce confinement amélioré conduit à une réduction de la diffusivité en dehors du cœur formé d'un matériau d'absorption des photons. L'invention permet ainsi d'augmenter la responsivité de la photodiode.

De manière encore plus inattendue, il s'avère que pour une largeur donnée de la portion d'absorption (le cœur du deuxième guide), l'invention permet d'augmenter très significativement la responsivité de la photodiode sans réduire de manière trop préjudiciable la largeur de la bande passante.

Autrement dit, l'invention permet d'augmenter de manière notable le produit responsivité fois ( ^* ) largeur de bande passante.

Cela représente un avantage considérable par rapport aux solutions connues. En effet dans un dispositif de couplage classique, tel que celui d'une photodiode à double hétérojonction, les indices de réfraction du deuxième guide (n _S i = 3.45 et n _Ge =4.27) sont beaucoup plus élevés que les indices de réfraction du premier guide (n _S i02 = 1 -45 et n _S i=3.45). Une part significative de la lumière diffuse alors hors de la photodiode malgré la présence du confinement.

Pour augmenter l'absorptivité de la portion de Ge intrinsèque, l'homme du métier aurait au mieux envisagé d'élargir la section du cœur du deuxième guide. Cet élargissement aurait comme effet négatif de diminuer la bande passante, car les porteurs de charge auraient alors besoin de plus de temps pour être extraits. Pour une bande passante acceptable, avec les solutions de l'état de la technique, la largeur usuelle du germanium intrinsèque Ge-i est de Ο.θμηη (10 ^"6 mètres). Cependant, pour cette largeur, même pour une photodiode à double hétérojonction, l'absorptivité reste limitée.

L'invention quant à elle, notamment grâce à la forme de la portion d'extrémité, ne présente pas ces inconvénients ou tout au moins les limite fortement.

Un autre objet de la présente invention concerne un dispositif microélectronique comprenant au moins et de préférence une pluralité de dispositifs de couplage selon l'invention.

Par dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec des moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS...).

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :

La figure 1 est une vue en coupe schématisée d'une photodiode à double hétérojonction Si-p/Ge-i/Si-n selon l'art antérieur, sur laquelle une simulation de la propagation des ondes lumineuses est représentée de manière schématique.

Les figures 2 et 3 sont des vues d'une photodiode proche de celle de la figure 1 , selon des coupes transversales prises respectivement au niveau du deuxième guide et du premier guide.

La figure 4 est une vue schématisée de la photodiode des figures 2 et 3 selon une coupe longitudinale, c'est-à-dire parallèle à la direction principale de propagation des ondes lumineuses.

La figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple du dispositif de couplage selon l'invention, ce dispositif formant, dans cet exemple non limitatif, une photodiode.

Les figures 6a à 6c sont des vues en coupe longitudinale illustrant de manière schématique et selon une approche modale le couplage entre le premier et le deuxième guide. La figure 6a concerne une photodiode à double hétérojonction classique comme celle de la figure 4 ; la figure 6b illustre un dispositif de couplage formant dans ce mode de réalisation non limitatif par exemple une photodiode à double hétérojonction ; la figure 6c est une vue agrandie de la figure 6b centrée sur l'interface entre les premier et deuxième guides.

La figure 7 illustre l'évolution de la largeur de bande passante d'une photodiode selon l'état de la technique et d'une photodiode selon l'invention en fonction de la largeur de la zone intrinsèque formée par le cœur du deuxième guide.

La figure 8a illustre des simulations selon la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD), de la responsivité de photodiodes en fonction de paramètres de la portion d'extrémité du cœur du deuxième guide d'ondes.

La figure 8b est un tableau indiquant l'absorptivité, la bande passante est le produit absorptivité ^* bande passante pour les différentes photodiodes de la figure 8a.

Les figures 9a et 9b sont des simulations selon la méthode FDTD de la diffusion de la lumière dans le cœur du deuxième guide, pour respectivement, un dispositif de couplage selon l'art antérieur et dispositif de couplage selon l'invention.

Les figures 10a à 10d illustrent des modes de réalisation alternatifs à celui de la figure 4.

La figure 11 , comprenant les figures 11 a à 11g, illustre les étapes principales d'un exemple de procédé de réalisation d'un dispositif de couplage selon l'invention.

Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les épaisseurs relatives des différentes couches ainsi que les dimensions relatives des différentes portions des guides d'ondes ne sont pas représentatives de la réalité.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement.

- Selon un mode de réalisation, la partie évasée est évasée selon un profil non- linéaire. Selon un mode de réalisation, la partie évasée est évasée selon un profil sinusoïdal, de préférence selon un profil formant un quart de période d'une fonction sinusoïdale.

- Selon un mode de réalisation, la paroi délimitant la partie évasée forme une courbe dont toutes les tangentes présentent un coefficient directeur qui augmente strictement en s'éloignant du premier guide. - Selon un mode de réalisation, la section de la portion principale, prise parallèlement audit plan transverse, est inférieure à celle de la portion d'extrémité. De préférence, la portion principale présente une section, parallèle audit plan transverse, inférieure à celle de la paroi de rétrécissement. La direction principale est parallèle à la direction principale de propagation des ondes lumineuses.

- Selon un mode de réalisation, le rétrécissement prolonge la partie évasée en s'éloignant du premier guide. De préférence le rétrécissement prolonge jusqu'à atteindre la portion principale.

Selon un mode de réalisation alternatif, la portion d'extrémité comporte une partie de section constante, disposée entre la partie évasée et le rétrécissement.

- Selon un mode de réalisation, le rétrécissement présente une paroi de rétrécissement s'étendant entre la partie évasée et la portion principale, ladite paroi de rétrécissement étant sensiblement linéaire et définit avec un plan perpendiculaire à ladite direction principale un angle a compris entre 0 et 45 degrés, de préférence entre 0 et 30 degrés et de préférence entre 0 et 15 degrés. Avantageusement, la présence d'un angle a présentant ces valeurs permet une amélioration particulièrement bonne du couplage tout en facilitant une réalisation simple et reproductible du dispositif de couplage.

- Selon un mode de réalisation, la différence entre les indices de réfraction du cœur et de la gaine du premier guide d'ondes étant supérieure à la différence entre les indices de réfraction du cœur et de la gaine du deuxième guide d'ondes. Selon un mode de réalisation, le premier guide d'ondes présente un contraste d'indices de réfraction supérieur au contraste d'indices de réfraction du deuxième guide d'ondes, le contraste d'indice d'un guide étant la différence entre l'indice de réfraction de son cœur et l'indice de réfraction de sa gaine.

- Selon un mode de réalisation, le ratio de la longueur de la portion d'extrémité sur la longueur totale du cœur du deuxième guide d'ondes est inférieur ou égal à 0.7 et de préférence inférieur ou égal à 0.5 et de préférence inférieur ou égal à 0.3, ces longueurs étant prises selon ladite direction principale. La longueur est prise selon la direction principale d'extension du deuxième guide. Ces valeurs permettent d'améliorer le produit absorptivité ^* bande passante lorsque le dispositif de couplage est une photodiode.

- Selon un mode de réalisation, les cœurs des premier et deuxième guides sont en contact direct. C'est-à-dire qu'il n'y a pas d'élément, de vide ou d'aire entre eux.

- Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième cœurs forment une interface de couplage, ladite interface étant plane. Selon un mode de réalisation, l'interface est contenue dans un plan parallèle audit plan transverse. En tous points, la section de la portion principale est inférieure à celle de la portion d'extrémité.

- Selon un mode de réalisation, le dispositif forme une photodiode à double hétérojonction. Selon un mode de réalisation, le dispositif forme une photodiode à avalanche.

Selon un mode de réalisation, au moins l'un et de préférence les deux parmi le cœur du premier guide et le cœur du deuxième guide présente, en section selon un plan parallèle audit plan transverse, une surface inférieure à Ι ΟΟμηη ² , de préférence inférieure à Ι Ομηη ² , et de préférence inférieure à Ι μηη ² . Typiquement le diamètre, si la section du cœur est circulaire, ou le plus grand côté si la section du cœur est un polygone, est inférieur à 50 μηι, de préférence inférieure à 10 μηη et de préférence inférieure à 1 μηη.

De manière également facultatives l'invention pourra présenter au moins l'une quelconque des revendications suivantes qui pourront être prises en association ou alternativement.

- Selon un mode de réalisation, la partie évasée débute à l'extrémité de la portion d'extrémité. De manière avantageuse, la partie évasée est délimitée par une courbe correspondant à un quart de période de la fonction sinus, centrée sur 0; naturellement cette courbe présente une portion plane centrée sur 0.

- Selon un mode de réalisation, le ratio de la largeur maximale Wlmax de la portion d'extrémité sur la largeur Wi de la portion d'extrémité située la plus proche du premier guide d'ondes, c'est-à-dire à l'interface avec le premier guide d'ondes, est compris entre 1.1 et 3, ces largeur étant prises dans un plan parallèle audit plan transverse. Ce ratio permet d'améliorer les performances du couplage tout en conservant en encombrement limité.

- Selon un mode de réalisation, la largeur maximale Wlmax de la portion d'extrémité est inférieure ou égale à 50 μηη (10 ^"6 mètres) et de préférence inférieure ou égale à 10 μηη et de préférence inférieure ou égale à 1 μηη. Ce ratio permet d'améliorer les performances du couplage tout en conservant en encombrement limité.

- Selon un mode de réalisation, le ratio de la largeur maximale Wlmax de la portion d'extrémité sur la largeur maximale W0 de la portion principale du deuxième guide d'ondes est compris entre 1.1 et 6, ces largeurs étant prises dans un plan perpendiculaire à ladite direction principale. Ce ratio permet d'améliorer les performances du couplage tout en conservant en encombrement limité.

- Selon un mode de réalisation, la longueur Lr du rétrécissement est inférieure à la longueur Le de la partie évasée, de préférence Lr <— et Lr <— et Lr <^ , Lr et Le étant prises selon la direction principale (z) d'extension du cœur du deuxième guide d'ondes. Cela permet d'améliorer l'adaptation de mode entre le premier et le deuxième guide d'ondes tout en conservant en encombrement limité.

- Selon un mode de réalisation, le cœur du premier guide et le cœur du deuxième guide sont formés dans des matériaux différents.

- Selon un mode de réalisation, le cœur du premier guide est à base de silicium, par exemple en silicium, et le cœur du deuxième guide est à base de germanium, par exemple en germanium.

- Selon un mode de réalisation le cœur de l'un ou des deux guides est formé d'une seule couche. Selon un autre mode de réalisation le cœur de l'un ou des deux guides est formé d'un empilement de couches.

- Selon un mode de réalisation, le cœur du deuxième guide d'ondes est formé d'un matériau semi-conducteur intrinsèque et la gaine du deuxième guide d'ondes comprend au moins deux zones d'un matériau semi-conducteur dopé respectivement p et n.

- Selon un mode de réalisation, le cœur du deuxième guide d'ondes est en Ge intrinsèque (Ge-i) et lesdites zones sont des zones de silicium (Si) dopé p et n.

- Selon un mode de réalisation, le rétrécissement présente une paroi de rétrécissement sensiblement perpendiculaire à ladite direction principale.

- Selon un mode de réalisation, au moins l'un parmi la gaine du premier guide et du deuxième guide comprend de l'air, un gaz ou du vide. Selon un mode de réalisation, la gaine du premier guide d'ondes est de l'air, un gaz ou du vide.

Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, le terme « sur », « surmonte », « recouvre » ou « sous-jacent » ou leurs équivalents ne signifient pas forcément « au contact de ». Ainsi par exemple, le dépôt d'une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches sont directement au contact l'une de l'autre mais cela signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact soit en étant séparée d'elle par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.

On entend par une couche ou un cœur, « à base » d'un matériau A, une couche ou un cœur comprenant ce matériau A uniquement ou ce matériau A et éventuellement d'autres matériaux, par exemple des éléments dopants. De manière conventionnelle, un dopage noté p signifie qu'il s'agit d'un dopage par des charges positives et un dopage n signifie qu'il s'agit d'un dopage par des charges négatives. Un exemple de dispositif de couplage selon l'invention va maintenant être décrit en référence à la figure 5, puis ses avantages seront explicités en référence aux figures 6 à 9.

Le dispositif de couplage selon l'invention comprend au moins un premier 100 et un deuxième 200 guide d'ondes, de préférence utilisé de manière à ce que la lumière pénètre dans le premier guide 100, qui fait alors office de guide d'injection, pour ensuite parvenir dans le deuxième guide 200. Chaque guide d'ondes comprend un cœur 1 10, 210 et une gaine 120, 220. Avantageusement, pour chaque guide d'ondes, l'indice de réfraction du cœur est supérieur à l'indice de réfraction de sa gaine afin de confiner le rayon lumineux dans les cœurs 1 10, 210 en évitant une diffusion au sein des gaines 120, 220.

On notera que l'homme du métier sait calculer l'indice de réfraction d'une gaine si cette dernière est hétérogène à la surface du cœur.

Le cœur 210 du deuxième guide d'ondes 200 peut être entouré d'une gaine 220 hétérogène, comme dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 5. Néanmoins, la portion évasée 212 combinée à la portion principale 212 n'a pas ou que très peu d'effet de collimation selon la direction y. Son effet est principalement contenu selon l'axe x. Ainsi la portion de gaine à prendre en compte en termes d'indices de réfraction est la gaine latérale, formée dans cet exemple non limitatif par les zones 221 , 222. Dans cet exemple il peut s'agir de zone de silicium dopé n et p, dont les indices de réfraction sont égales à celui du silicium.

L'invention ne se limite pas à des matériaux particuliers pour le cœur et la gaine. On pourra ainsi avoir pour le cœur 1 10, 210 du silicium (Si) ou du germanium intrinsèque (Ge-i) ou du nitrure de Silicium (SiN), et pour les gaines 120, 220 du dioxyde de silicium (Si0 ₂ ), du silicium voire un gaz tel que l'air par exemple ou du vide.

Dans l'exemple illustré, et sans que cela soit limitatif, le cœur 1 10 du premier guide 100 est en Si, sa gaine 120 est en Si0 ₂ , le cœur 210 du deuxième guide 200 est en Ge-i et sa gaine 220 est formée d'une zone 221 de Si dopé n (Si-n) et d'une zone 222 de Si dopé p (Si-p). Dans cet exemple, le dispositif formé par la réunion des deux guides 100, 200 constitue ainsi une photodiode à double hétérojonction Si-n/Ge-i/Si-p.

Comme illustré en figure 5, le cœur 1 10 du premier guide d'ondes 100 présente une section, prise selon une coupe xy qui reste sensiblement constante le long de l'axe z.

Le repère normé x, y, z est indiqué en figure 5. L'axe z correspond à une direction principale 400 d'extension du cœur 1 10, 210 des guides 100, 200. C'est parallèlement à cette direction principale 400 que la majeure partie du flux lumineux se propage dans les guides 100, 200.

Le cœur 210 du deuxième guide d'ondes 200 présente une section, prise dans le plan xy, qui varie selon l'axe z. Ainsi, le cœur 210 comprend au moins une portion d'extrémité 21 1 présentant une partie évasée 21 12 et une portion principale 212, cette dernière présentant une section inférieure à la section de la portion d'extrémité 21 1. La portion d'extrémité 21 1 s'étend de préférence depuis l'extrémité 21 1 1 du cœur 210 du deuxième guide d'ondes 200. Selon un mode de réalisation, le cœur 210 du deuxième guide d'ondes 200 est au contact du cœur 1 10 du premier guide d'ondes 100.

Ainsi, selon ce mode de réalisation non limitatif, il n'y a pas d'élément intermédiaire entre les cœurs 1 10, 210 des deux guides 100, 200. L'interface de couplage est alors formée par la portion d'extrémité 21 1 du cœur 210 du deuxième guide 200 et par la portion d'extrémité du cœur 1 10 du premier guide 100. De préférence, l'interface entre les cœurs 1 10, 210 des deux guides 100, 200 est plane. Cela permet de faciliter la fabrication du couplage entre les deux cœurs 1 10, 210 et de favoriser une bonne transmission des ondes lumineuses d'un guide à l'autre.

De manière avantageuse, la partie évasée 21 12 du cœur 210 est convexe. Elle forme donc un ventre qui s'étend dans la gaine dans un plan xy.

Ainsi, de préférence, la partie évasée 21 12 n'est pas concave. De préférence, elle ne présente pas un profil linéaire dans le plan xy. Autrement dit, la paroi délimitant la partie évasée 21 12 forme une courbe dont toutes les tangentes présentent un coefficient directeur qui augmente strictement en parcourant l'axe z. Selon un mode de réalisation non limitatif, la paroi de la partie évasée 21 12 suit une fonction de type sinus (en faisant abstraction de la paroi de contact 21 1 1 qui est plane).

La partie évasée 21 12 se prolonge par un rétrécissement. De préférence, le rétrécissement est défini par une paroi 21 14 qui s'étend, selon l'axe z, depuis la partie évasée 21 12 et jusqu'à la portion principale 212. Sur l'exemple non limitatif illustré en figure 5, la paroi 21 14 de rétrécissement est linéaire et forme avec l'axe z un angle droit.

Selon un autre mode de réalisation, la paroi 21 14 peut former avec un plan perpendiculaire à l'axe z, un angle a non nul. Ce mode de réalisation sera décrit en détail par la suite en référence à la figure 10a.

Cette structure du cœur 210 du deuxième guide 200 permet d'améliorer considérablement le couplage de ce guide 200 avec le premier guide 100. Cela pourrait s'expliquer par une approche modale du fonctionnement du dispositif de couplage. La forme évasée du cœur 210 du deuxième guide 200 permet une adaptation du mode entre le mode du premier guide 100 et le mode du deuxième guide 200. Cette adaptation de mode est effectuée sur une distance très courte grâce à la portion d'extrémité 212 et sa partie évasée 21 12.

Au contraire, les tapes classiques connus de l'état de l'art sont généralement très longs notamment ceux pour élargir la taille d'un mode.

Un taper de ce type est décrit dans le document [4] G. Roelkens, P. Dumon, W. Bogaerts, D. Van Thourhout, and R. Baets, "Efficient Silicon-on- Insulator Fiber Coupler Fabricated Using 248-nm-Deep UV Lithography", IEEE Photonics technology letters 17, 2613 (2005). Si on devait placer un taper présentant une pointe de silicium en amont (selon le sens de propagation des rayons lumineux) du premier guide 100, cette pointe nécessiterait plusieurs dizaines de microns. L'encombrement du dispositif en serait augmenté de manière très préjudiciable.

De même, des lentilles planaires en optique guidée peuvent adapter des tailles de modes. Elles présentent pour inconvénient d'être également très longues, typiquement de l'ordre de plusieurs dizaines, voire centaines de microns. Ce type de lentille est par exemple décrit dans la publication mentionnée en introduction de K. V. Acoleyen et al., parue en 201 1 dans la revue IEE sous la référence 10.1 109/GROUP4.201 1.6053748.

Dans la présente invention, la portion d'extrémité du cœur 210 du deuxième guide 200 est au contraire ultra-compacte. Par ailleurs, ce n'est pas une lentille. En particulier sa base est de préférence plane. Ses parois internes jouent plutôt le rôle de miroirs pour collimater les faisceaux en direction de la partie principale 212 du deuxième guide 200.

La figure 6a illustre une photodiode à double hétérojonction Si-n/Ge/Si-p classique. Les modes du premier 100 et deuxième 200 guides sont clairement différents et la structure à l'interface des deux guides ne permet pas d'adaptation de ces modes. On a donc une divergence de modes. La figure 6b, agrandie en figure 6c au niveau de l'interface entre les deux guides 100, 200, illustre l'adaptation de mode grâce à la partie évasée 211 du dispositif selon l'invention. Les paragraphes qui suivent mettent en lumière comment le dimensionnement du cœur 210 du deuxième guide 200 influence les performances du dispositif de couplage, en particulier en termes de réduction de la diffusion dans la gaine 220 (et donc en termes d'absorptivité/responsivité lorsqu'il s'agit d'une photodiode) et en termes de largeur de bande passante.

Dans l'exemple non limitatif qui suit, la paroi de la partie évasée 2112 évolue selon une loi sinusoïdale. L'évolution en largeur de la partie évasée 2112 en fonction de l'axe z suit sensiblement l'équation suivante :

(1)w(z) = wi + Wg.sin—

Dans laquelle

- Wi est la largeur du cœur 110 du premier guide 100. De préférence, Wi est la largeur de la paroi d'extrémité 2111 formant le contact avec le premier guide.

- W0 est la largeur de la portion principale 212 du deuxième guide 200, c'est- à-dire la portion de section sensiblement constante ;

- Le est la longueur de la portion d'extrémité 211 et plus précisément de la partie évasée 2111;

Wg correspond à l'élargissement maximal de la portion d'extrémité 212 (c'est-à-dire son dépassement maximal de largeur par rapport à la largeur Wi). Wlmax est la largeur maximale de la portion d'extrémité 211. Comme illustré sur la figure 5, Wlmax est égale à la largeur Wi additionné de l'élargissement Wg.

Les largeurs sont prises selon l'axe x, les longueurs sont prises selon l'axe z, les sections sont prises selon des plans parallèles au plan xy. Dans le cas où les sections des cœurs 110, 210 sont circulaires, les largeurs correspondent alors à des diamètres.

Des paramètres importants de conception de la portion d'extrémité 211 évasée sont donc l'élargissement maximal W _g , et la longueur Le de la portion d'extrémité 211 évasée.

Dans le cas d'une photodiode, l'impact néfaste lié à la présence de cette partie évasée 2112 est une diminution de la bande passante par rapport à un dispositif de couplage sans partie évasée 2112. En effet, une certaine partie de la lumière est absorbée dans la partie évasée 21 12 d'épaisseur plus grande que le guide le prolongeant. Dans cette partie évasée 21 12 l'extraction des charges est plus lente.

On peut calculer la bande passante globale de la photodiode avec partie évasée 21 12 en intégrant la bande passante locale le long de la propagation de la lumière, et en tenant compte de l'atténuation de la densité d'absorption selon la loi de Beer- Lambert :

(2) BP = ( _r ^ _3F ) £ _Q e-«* . bp w (z). d

Dans laquelle :

- bp(w(z)) est la l a rg e u r d e bande passante correspondant à une photodiode longiligne de largeur w(z),

- a est le coefficient d'absorption de la photodiode ( m ^" ' ) (deuxième guide

200),

- I_t est la longueur du deuxième guide d'ondes 200.

Les évolutions de la largeur de la bande passante d'une photodiode de type Si/Ge-i/Si classique (c'est-à-dire sans partie évasée comme le propose l'invention) (courbe référencée 71 ) et d'une photodiode selon l'invention (courbe référencée 72), en fonction de leur largeur W0 sont représentées en figure 7. Comme le montre cette figure, on observe pour ces deux photodiodes tout d'abord une augmentation avantageuse de la bande passante quand la largeur diminue. Cela est dû à une diminution du temps de transit des porteurs. Ensuite, lorsque la largeur de photodiode diminue trop (typiquement lorsque la largeur est inférieure à 0.3μη-ι), la bande passante diminue alors brusquement, car même si le temps de transit des porteurs diminue favorablement, le délai de constante RC augmente quant à lui très fortement.

Dans le cadre du développement de la présente invention, il était attendu que si la responsivité a u ra i t p u augmenter grâce à la partie évasée 21 12, la bande passante en aurait alors était nécessairement dégradée de manière trop préjudiciable.

De manière inattendue, il a été constaté que la réduction de la bande passante est bien moindre que ce qui avait été prévu. En effet au cours du développement du dispositif selon l'invention, il a été observé que la partie évasée 21 12 n'a pas besoin d'être trop large, ni trop longue pour être optiquement efficace.

Cela ressort clairement de la figure 7 sur laquelle la photodiode selon l'invention (courbe 72) présente une bande passante très proche de celle d'une photodiode classique (courbe 71 ) sur le domaine considéré des largeurs WO. En effet pour cet exemple non limitatif de photodiode selon l'invention, cette dernière présente une bande passante très proche de cette d'une photodiode sans partie évasée pour des largeurs WO comprise entre Ο.δδμηι. Les simulations ci-dessous des figures 8a et 8b montrent que l'invention permet d'améliorer le produit responsivité ^* bande passante. Ainsi,

- soit à responsivité égale à une photodiode longiligne, l'invention permet d'améliorer la bande passante,

- soit à bande passante égale, l'invention permet d'améliorer la responsivité. Sur ces figures, on simule par méthode FDTD (finite différence time domain) une photodiode à double hétérojonction, telle que présentée en figure 5 à la longueur d'onde λ=1 .55μηΊ (α=10μηΊ ). Les paramètres que l'on fait varier d'une simulation à l'autre sont ceux associés à la partie évasée 21 12, soit Wg et Le. Wi est fixé à Ο.θμηη et WO est également fixé.

Avec ces conditions, et en faisant varier Wg et Le, on obtient une cartographie.

En faisant alors varier WO de Ο.θμηη à 0.1 μηη on obtient les cartographies illustrées en figure 8a et qui mentionne le rendement nominal η ₀ d'une photodiode droite (sans partie évasée) correspondante. On trace chaque fois l'absorption dans la photodiode (responsivité).

Le tableau de la figure 8b mentionne l'absorptivité et la largeur de bande passante calculées selon l'équation (2) ci-dessus et la courbe de la figure 7.

La première chose que l'on observe de ces simulations, c'est que l'invention procure bien une amélioration de la responsivité par rapport à une photodiode classique (sans partie évasée) de largeur W0, et de rendement nominal η ₀ .

Dans cette simulation, l'amélioration maximale est obtenue pour un petit élargissement (Wg=0.1 μηη typiquement), et une petite longueur de patrie évasée 21 1 1 Cela signifie que le dispositif de couplage selon l'invention fonctionne bien comme un taper dont la dimension serait très courte. Par ailleu rs, cela indique également qu'avec ces faibles dimensions de portion d'extrémité 21 1 , la bande passante ne sera que très peu affectée par la présence de la partie évasée 21 12, contrairement à ce qui aurait été le cas avec un taper de longue dimension. Le calcul de la bande passante selon la formule (2) montre effectivement une baisse uniquement faible de la bande passante, à WO fixé.

Ainsi, l'invention permet une amélioration du produit absorptivité ^* bande passante.

On peut alors appliquer l'invention pour en tirer l'avantage le plus pertinent pour l'application que l'on souhaite :

- soit garder le même WO qu'une photodiode standard, pour accroître fortement la responsivité, tout en ne dégradant que très légèrement la bande passante ;

- soit réduire le WO (d'une valeur proche de Wg). On conserve alors la même responsivité que la photodiode standard initiale de WO, mais on augmente alors fortement la bande passante.

Les figures 9a et 9b illustrent une simulation FDTD respectivement d'une photodiode standard avec W0=0^m, et d'une photodiode selon l'invention avec Le WO est donc identique pour les deux photodiodes

Cette simulation montre clairement :

- en figure 9a que la photodiode standard diffuse (voir les zones 320, 330) une partie du flux lumineux en dehors du cœur de Ge-i ;

- en figure 9b que la photodiode selon l'invention ne présente pas ou que très peu significativement de diffusion en dehors du cœur de Ge-i.

Le dispositif de couplage décrit ci-dessus présente des performances particulièrement améliorées. Néanmoins, l'invention couvre d'autres structures de dispositifs de couplage. Certaines de ces variantes sont décrites en référence aux figures 10a à 10d.

La figure 10a illustre de manière schématique les différentes pentes ou courbes que peut suivre la paroi de rétrécissement 21 14.

Sur l'exemple de la figure 5, cette paroi 21 14 forme avec un plan transverse, perpendiculaire à l'axe z, un angle a nul. Ainsi, cette paroi de rétrécissement 21 14 est perpendiculaire à l'axe z comme illustré dans l'exemple de la figure 5 ou comme illustré par la référence 21 14a de la figure 10a. Le rétrécissement est alors très abrupt, voire immédiat.

L'angle a peut néanmoins être non nul comme illustré par la référence 21 14b de la figure 10a. De préférence, cet angle a sera positif, c'est-à-dire que la valeur selon l'axe z de la paroi de rétrécissement 21 14 sera supérieure au niveau de la portion principale 212 qu'au niveau de la partie évasée 21 12. Ainsi le rétrécissement de la partie évasée est graduel bien que rapide.

Les modes de réalisation avec un angle oc> 0 ont pour avantage de faciliter la fabrication du dispositif de couplage. De préférence 0 <oc< 45° et de préférence 0 <oc< 30° et de préférence 0 <κ< 15°.

De préférence la longueur L _r du rétrécissement, prise selon l'axe z est inférieure à Le. De préférence la longueur L _r du rétrécissement est inférieure à et de préférence inférieure à et de préférence inférieure à

Sur l'exemple de la figure 5, L _r = 0.

Sur les figures 5 et 10, le rétrécissement est linéaire. Néanmoins, il est préférable d'avoir un rétrécissement non linéaire, avec des formes courbes, notamment au niveau des jonctions avec la partie principale 212 et avec la forme évasée 21 12.

Les figures 10b et 10c illustrent ce type de variantes avec bords arrondis.

En pratique, du fait des imprécisions des procédés de lithographie, les bonds sont généralement arrondis.

De manière avantageuse, la longueur totale L _t du deuxième guide 200 est telle que : L _t ≥ 2(Le + l _r ).

La figure 10c illustre différentes formes possibles pour la paroi délimitant la partie évasée 21 12. Toutes les formes envisageables sont les courbes illustrées en pointillés réguliers qui se trouvent en dessous de la droite illustrée en pointillés irréguliers trait/point.

La figure 10d illustre une variante dans laquelle le rétrécissement 21 14 ne prolonge pas directement la partie évasée 21 12. Dans cette variante, une partie intermédiaire 21 15, de préférence cylindrique, prolonge la partie évasée 21 12 jusqu'à la paroi de rétrécissement 21 14.

De manière avantageuse mais non limitative, on aura droit alors à L _t ≥ 2(Le + li + l _r ) avec l _t = longueur selon z de la partie intermédiaire 21 15.

L'invention a été décrite ci-dessus à travers un exemple non limitatif d'application aux photodiodes à double hétérojonction.

Elle s'applique à d'autres types de photodiodes que celles illustrées et par exemple aux photodiodes à avalanche. A titre d'exemple non limitatif, les dimensions suivantes pourront être adaptées par les dispositifs de couplage selon l'invention, notamment ceux illustrés en figures 5, 10a à 10d mais aussi pour les autres variantes couvertes par les revendications : pour une longueur d'onde λ=1.55μηΊ (α=10μηΊ ' ) :

- Wg est inférieure à 2μη"ΐ. De préférence Wg est compris entre Ο.ΟδμηΊ et 2 μηι, de préférence entre Ο.ΟδμηΊ et 0.7 μηι, de préférence entre 0.1 μηη et 0.5 μηι, de préférence de l'ordre de 0.1 μηι;

- Le est compris entre 0.1 μηη et 1.5 μηη, de préférence entre 0.2μηι et 1 .2 μηη, de préférence entre 0.4μηι et 1 μηι, de préférence de l'ordre de Ο.δμηι;

- Wi est co m pri s e ntre 0.2μηι et 1 .0 μηη, de préférence entre 0.4μηι et 0.8 μηι, de préférence entre 0.5μηι et 0.7 μηη ;

- W0 est com p ri s e ntre 0.15μηι et 1.0 μηη, de préférence entre 0.15μηι et 0.8 μηι, de préférence entre 0.2μηι et 0.6 μηι.

Lorsque le dispositif de couplage forme une photodiode, notamment celle illustrée en figure 5 et décrite dans les passages correspondants, les dimensions ci- dessus permettent d'améliorer considérablement le produit absorptivité ^* largeur de bande passante. Ces dimensions et avantages s'appliquent également aux variantes décrites en référence aux figures 10a à 10d. L'invention s'applique aussi à tout autre type de dispositif de couplage entre matériaux différents ne formant pas nécessairement une photodiode.

En effet, si on note nc1 et ng1 respectivement, les indices de cœur et gaine du guide d'entrée de la lumière; et nc2 et ng2 respectivement les indices de cœur et gaine du guide de sortie de la lumière, on pourra alors appliquer l'invention, en particulier la forme de la partie évasée 21 12, chaque fois que l'écart d'indices cœur/gaine du guide de sortie est plus faible que celui d'entrée, c'est-à-dire, chaque fois que : nc1 -ng1 >nc2- ng2. Cet écart d'indice entre l'indice de réfraction du cœur d'un guide et l'indice de réfraction de la gaine de ce même guide est appelé contraste d'indices.

Comme indiqué ci-dessus, dans l'exemple non limitatif illustré sur les figures 5, 6b, 6c et 10a à 10d, la portion de gaine à prendre en compte en termes d'indice de réfraction est la portion latérale de la gaine 220 c'est-à-dire celle s'étendant selon l'axe x. Ainsi, dans la formule ci-dessus, ng2 correspond à l'indice de réfraction des zones 221 et 222. Si ces zones sont en Si-n et Si-p, ng2 sera donc égal à l'indice de réfraction du silicium, Si-n et Sip ayant les mêmes valeurs d'indices (celui du Si). Le principe de la présente invention fonctionne en sens inverse. Si la relation précédente n'est pas vérifiée, il suffit d'appliquer une symétrie, c'est-à-dire qu'il suffit de retourner la partie évasée 21 12 et de la placer en fin de guide d'injection. Un exemple de procédé de fabrication d'un dispositif de couplage illustré en figure 5 ou10a à 10d va maintenant être décrit aux figures 1 1 a à 1 1 g. Chacune des figures 1 1 a à 1 1 g comprend une vue en coupe du deuxième guide d'ondes 200 (vue selon une coupe xy) et une vue du dessus (vue parallèle au plan zx.

La première étape (figure 1 1 a) consiste à fournir un empilement de couches comprenant notamment :

- un substrat 220, par exemple un matériau diélectrique tel que le Si0 ₂ ;

- une couche 22 surmontant le substrat 220 et destinée à former en partie au moins la gaine pour le cœur 210. Cette couche 22 est de préférence, mais non limitativement, en un matériau semi-conducteur tel que le silicium.

Selon un mode de réalisation, cette couche 22 présente au moins deux zones dopées situées de part et d'autre de l'axe y. Ainsi, une zone située par exemple à gauche de l'axe y est dopée n et une autre zone située à droite de l'axe y est dopée p.

- une couche 223, par exemple en un matériau diélectrique tel que le Si0 ₂ , est destinée à former un masque dur _.

Les étapes illustrées en figure 1 1 b à 1 1 d visent à graver le masque dur 223 pour lui donner la forme du cœur 210 du deuxième guide d'ondes 200. Cette forme apparaît en figures 1 1 c et 1 1 d.

Par exemple, on dépose une couche de résine 224 (figure 1 1 b) que l'on ouvre (figure 1 1 c) par n'importe quel moyen approprié de lithographie (photolithographie, lithographie par faisceau d'électrons, nano-impression, etc ..) afin de donner à l'ouverture la forme voulue pour le cœur 210 du guide d'ondes 200.

Comme illustré par la figure 1 1 d, on grave ensuite le masque dur 223 à travers le masque formé par la couche de résine 224 ouverte. On retire ensuite la couche de résine 224 (figure 1 1 e). On grave alors la couche 22 destinée à former en partie la gaine à travers le masque dur 223.

On procède ensuite à un remplissage de la cavité 540 ainsi formée par le matériau formant le cœur 210 du deuxième guide d'ondes 200 (figure 1 1 g). Le cœur 210 présente alors la forme souhaitée, avec en particulier la portion d'extrémité 21 1 évasée et la portion principale 212.

Selon un mode de réalisation, pour remplir le cœur 210, on procède à une croissance par épitaxie à partir d'une couche résiduelle 560 de la couche 22 laissée en place en fin de gravure.

Ainsi selon ce mode de réalisation la gravure de la couche 22 n'est que partielle et laisse une épaisseur 560 dans le fond de l'ouverture 540.

Par exemple, si le matériau de la couche 22 est du silicium cristallin ou polycristallin, on pourra remplir la cavité en faisant croître du germanium par épitaxie.

De préférence, on effectue ensuite une étape d'aplanissement, par exemple par polissage mécano-chimique (CMP) pour que les faces supérieures de la couche 22 et du cœur 210 soient sensiblement comprises dans le même plan.

Ensuite il est possible de recouvrir les faces supérieures de la couche 22 et du cœur 210 par une couche protection, de préférence un diélectrique, par exemple une couche en Si0 ₂ .

Il est ensuite possible de réaliser des contacts électriques au niveau des zones dopées par toutes les techniques largement connues de l'homme du métier, par exemple en réalisant des trous d'interconnexion puis en remplissant ces trous par un matériau électriquement conducteur.

Ce procédé a pour avantage d'être simple et parfaitement reproductible. Il permet ainsi de fabriquer le dispositif de couplage de manière simple et à un coût limité.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s'étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.